十年前，如果你需要一個電池，而不是一個手電筒或鬧鐘，你的選擇是相當有限的。鋰離子電池早在20世紀90年代就進入了消費電子產品領域，研究人員剛剛開始探索鋰離子電池在某些汽車應用領域的潛力。

然而，即使在2010年，科學家和決策者也知道鋰離子電池并不是解決儲能挑戰的唯一方法。不同的應用，從重型卡車運輸到電動飛機，再到將間歇性產生的可再生能源儲存在電網上的大規模裝置中，要求科學家們從化學和技術的角度進行更廣泛的思考。

為了發現鋰離子以外的關鍵電池技術，美國能源部（DOE）成立了聯合儲能研究中心（JCESR），這是一個由能源部阿貢國家實驗室領導的能源創新中心，旨在將實驗室、學術界和工業界聯合起來，解決儲能領域的關鍵挑戰。JCESR最初的設計是一個五年的工作，其任務是開發電池，在同等重量的情況下可以儲存更多的能量，同時成本更低。

在JCESR的早期，這一挑戰促使人們尋找一種“神奇的子彈”——一種電池，因為它滿足一定的能量密度和成本要求，能夠滿足各種應用的需求。“最初我們以為我們可以找到一種單一的化學物質，或者可能是一個化學家族，它可以在所有領域發揮作用，”JCESR主任、阿貢杰出研究員GeorgeCrabtree說我們發現，無論我們最終設計的是什么電池，一刀切的方法永遠不會真正奏效。”

Crabtree解釋說，其中一個原因是不同類型的電池應用需要不同種類的權衡。一個適合飛機的電池需要能夠儲存和產生相當大的能量，是鋰離子的數倍，同時又非常安全。另一方面，成本不會是一個重要因素，他說，因為公司的運營成本使其資本成本相形見絀。

相反，汽車和輕型卡車的電池只需要儲存足夠的能量，在充電前可以行駛幾百英里，但理想情況下，它們需要能夠快速充電，并且安全、低成本。

阿貢材料科學家、JCESR研究整合負責人林恩·特拉希（LynnTrahey）說：“很快就很明顯，你永遠不會有一個電池能給你提供一切。這一設想在2010年之前一直是鋰離子電池的主要用途。當今世界正朝著許多不同的應用領域發展，我們需要多種多樣的電池來為它們提供服務。”

在JCESR最初五年的研究范圍內，研究人員使用了不同電池的經濟模型及其應用，為他們的實驗和分析提供了依據。除了消費類電子產品，鋰離子技術可以很好地滿足這個市場的需求，JCESR的科學家們對突破性的儲能技術如何改變美國經濟和我們的生活方式采取了最廣泛的觀點。

運輸用電池和電網用電池的需求相差很大。當太陽不亮或風不吹的時候，科學家們可以使用大而便宜的電池，而不是那些適合電動汽車的電池。

對于這種網格存儲，JCESR的科學家們研究了氧化還原流電池的使用，與鋰電池不同，這種電池使用液體而不是固體電極。氧化還原流電池得名于這樣一個事實：流動的液體使電池的一邊電化學地減少，或變得更負，而另一邊電化學氧化，或變得更積極，因為電池充電或放電。

氧化還原液流電池的基本概念非常簡單，兩種不同的帶電液體在兩個槽之間循環，同時在兩組槽之間的電化學電池中通過傳輸膜共享離子。然而，Crabtree說，由于這種流體在水基溶液中通常是無機鹽，所以它們的能量密度和節約成本的潛力是有限的。

為了克服氧化還原液流電池的這些局限性，JCESR的科學家們想看看它們是否可以使用有機分子作為基礎。為此，他們開發了一組稱為“氧化還原劑”的分子，這是一種有機聚合物，在有機溶劑中使用時可以提高電池電壓。

特拉希說：“氧化還原爐最棒的地方在于它們數量眾多，用途廣泛。有成千上萬種不同的有機分子，它們可以用上千種不同的方式進行配置。當我們探索這個廣闊的空間時，我們會了解到哪些配置能夠實現我們想要的目標性能，例如高壓、快速充電、高安全性或低成本。機器學習，即計算機學習產生高電池性能的原子和分子特征，極大地加快了新材料和更好材料的發現。”

就像電網一樣，運輸用電池必須有多種用途。JCESR的科學家們研究過鋰氧電池、鋰硫電池和“多價離子”電池。與鋰離子的電荷為+1不同，多價離子的電荷為+2或+3，使它們在每次通過電池時都能進行更多的電化學工作。只要能找到合適的材料組合，這些電池都有望以比鋰離子電池更低的成本獲得更高的能量密度。

JCESR早年的一個重要教訓是如何找到合適的材料。雖然有許多候選人，但也有許多表現要求和許多不必要的副作用，往往阻止一個有前途的候選人取得分數。

近年來，JCESR的經營理念發生了變化。JCESR的研究人員沒有試圖尋找專門針對特定技術需求的電池化學試劑，而是用“自上而下”的方法來換取“自下而上”的方法，即他們專注于原子和分子水平上不同化學過程的基礎研究。

Crabtree說：“我們的想法是為了更好地理解儲能的材料和現象，以便我們能夠為各種應用設計各種各樣的電池。在原子和分子水平上對儲能有著廣泛的了解，這是一項新功能，使我們能夠按原子和分子定制設計電池，并滿足任何應用的整體電池性能要求。”

“利用先進的光源和機器學習等最先進的技術，我們可以探索電池化學的一些我們從未預料到的領域。這太令人興奮了。”特拉希補充道。